上世纪50年代以来,块状晶体材料已被广泛应用于工业、环境科学、信息加工、医疗及军事等诸多领域。近年来随着高新技术的飞速发展,大尺寸、高质量块状晶体材料的需求日益增长。大部分重要块状晶体(如半导体晶体(Si、GaAs、InP等)、激光晶体(Nd:YAG、GGG等)、光学晶体(α-Al2O3、KNbO3)等),通常是利用熔体法(如提拉法、布里奇曼法及区熔法等)制备的。熔体法晶体生长过程伴随着复杂的热环境,长晶完成后晶体内产生热应力,过大的热应力会引起位错快速增殖,甚至导致晶体开裂,严重降低了晶体质量。冷却过程中,由于晶体内部与其表面冷却不同步,同样会引起热应力的产生。热应力的产生与温度分布、生长界面形状密切相关,二者直接受炉内换热环境的影响。合理的温度分布、稳定的凝固界面是高质量晶体生长的关键,因此晶体制备过程中热场优化设计对提高晶体质量具有非常重要的意义。论文从流体力学、热科学与材料科学基础出发,结合晶体生长理论,发展了基于多物理场耦合的输运模型,并将其应用于DSS法多晶硅和KY法蓝宝石单晶生长过程和冷却过程的热场优化设计中。针对晶体生长过程和冷却过程,分别从炉体结构设计和过程工艺参数控制两个方面对热场优化展开研究。对于多晶硅生长过程,重点研究隔热笼结构设计、加热器布置对凝固界面形状及硅锭热应力的影响,提出热场优化方案。对于冷却过程,详细分析入口气体流速、底部隔热板移动速率对生长系统热场、流场及硅锭热应力场的影响,提出入口流速及底部隔热板移动速率优化方案。对于蓝宝石单晶生长过程,着重研究不同生长阶段熔体热场和流场分布特征及Marangoni效应对熔体流动的影响。并从热应力、晶体几何外形及三维效应三个方面对工业生产过程常见的开裂现象进行深入分析,找出晶体开裂的主导因素,提出避免开裂的有效措施。对于冷却过程,重点探讨加热器结构改进、不同功率分配比对晶体内温度、热流及热应力分布的影响,最后对加热器结构改进后的功率分配比进行优化。研究结果表明,DSS法多晶硅生长过程中,通过适当调整隔热笼厚度或加热器位置,不仅能够降低最大热应力而且还有助于获得微凸或平直凝固界面,因此可以提高硅锭质量。多晶硅冷却过程中,底部隔热板移动速率及入口气体流速对热应力影响很大。减小隔热板移动速率可以显著降低最大热应力的峰值。冷却前期通入较大速率的气体而冷却后期通入较小速率的气体有助于降低冷却过程硅锭的最大热应力。通过对入口流速优化,不必延长冷却时间即可进一步提高硅锭质量。对于泡生法蓝宝石生长系统,熔体流动受自然对流和Marangoni对流共同影响。长晶初期熔体内自然对流占主导,可以忽略Marangoni对流的影响,而等径生长后期随着熔体体积不断缩小,自然对流受到抑制,此时Marangoni对流流动占主导。晶体开裂是由多晶生长等晶体缺陷和热应力共同决定的,与晶体几何结构无关。晶体周围换热环境变化引起的三维效应是导致晶体出现单侧开裂的主要原因之一。为避免长晶过程晶体开裂,应对加热器及隔热屏进行定期检查及更换。蓝宝石单晶冷却过程中,晶体喉部及颈部表面附近区域热应力始终最高,最大热应力主要集中在颈部表面区域。为提高蓝宝石晶锭质量,冷却初期顶部加热器与中部加热器选用较大功率比。